Innleidd spenna (EMF)
Pengantar
Rafsegulmögnun (electromotive power), eða almennt þekkt sem rafsegulmögnun (electromotive power), er fyrirbæri þar sem breytilegt segulsvið framleiðir rafstraum í leiðara. Þessi meginregla er grundvöllur margra nútíma tækni, þar á meðal rafstöðva og spennubreyta. Þetta fyrirbæri var fyrst lýst af Michael Faraday árið 1831 og varð síðar einn af meginstoðum rafsegulfræðinnar. Þessi grein mun fjalla um grunnkenninguna á bak við rafsegulmögnun, lögmálin sem stjórna henni og ýmsa hagnýta notkun hennar.
Grunnkenning
Lögmál Faradays um rafsegulfræðilega innleiðingu
Lögmál Faradays um rafsegulfræðilega innleiðslu er grundvöllur innleiddrar rafsegulmögnunar. Þetta lögmál segir að rafsegulmögnunin sem framkölluð er í lokuðu rásarkerfi sé í réttu hlutfalli við breytingarhraða segulflæðisins í gegnum rásina. Stærðfræðilega er þetta lögmál sett fram sem:
\[ \mathcal{E} = -\frac{d\Phi_B}{dt} \]
Hvar:
– \( \mathcal{E} \) er innleidd rafsegult svið (í voltum),
– \( \Phi_B \) er segulflæðið (í Weber-einingum),
– \( \frac{d\Phi_B}{dt} \) er breytingarhraði segulflæðis.
Neikvæða formerkið í þessari jöfnu kemur frá lögmáli Lenz, sem segir að stefna örvuðu rafsegulsviðsins sé alltaf þannig að hún vinni gegn breytingunni á segulflæðinu sem veldur því.
Lögmál Lenz
Lögmál Lenz gefur til kynna stefnu rafsegulmögnunar og straumsins sem myndast. Samkvæmt lögmáli Lenz mun örvaður straumur í rafrás framleiða segulsvið sem vinnur gegn breytingunni á segulflæðinu sem olli því. Stærðfræðilega er þetta táknað með neikvæða formerkinu í jöfnu Faradays.
Segulflæði
Segulflæði \( \Phi_B \) er mælikvarði á magn segulsviðs sem fer í gegnum tiltekið svæði. Segulflæði er skilgreint sem:
\[ \Phi_B = B \cdot A \cdot \cos(\heta) \]
Hvar:
– \(B \) er segulsviðið (í tesla),
– \(A \) er flatarmál segulsviðsins (í fermetrum),
– \( \theta \) er hornið milli segulsviðsins og línunnar sem er hornrétt á svæðið.
Umsókn um framkallaða rafsegulsviðsmáttarbreytingu
Rafmagnsrafall
Rafmagnsrafall er ein helsta notkun rafsegulfræðilegrar orku. Rafallar breyta vélrænni orku í raforku með meginreglunni um rafsegulörvun. Þegar vírspóla snýst í segulsviði, framleiðir breytilegt segulflæði yfir spóluna rafsegulfræðilega orku sem veldur rafstraumi.
1. Riðstraumsrafall (riðstraumsrafall)
– Virkni: Rafstraumur notar segulsvið sem myndast af varanlegum segli eða rafsegli. Þegar spóla snýst í segulsviðinu breytist segulflæðið yfir spóluna og myndar riðstraum.
– Notkun: Riðstraumsrafstöðvar eru notaðar í stórum virkjunum, vindmyllum og flytjanlegum rafstöðvum.
2. Jafnstraumsrafall (DC)
– Virkni: Jafnstraumsrafall notar skiptingu til að breyta riðstraumnum sem myndast í spólunni í jafnstraum. Skiptingin er vélrænt tæki sem tryggir að straumurinn flæði í eina átt.
– Notkun: Jafnstraumsrafstöðvar eru notaðar í forritum eins og hleðslu rafhlöðu, neyðaraflkerfum og iðnaðarforritum.
spennir
Spennubreytir er tæki sem breytir spennunni í rafdreifikerfi, byggt á meginreglunni um rafsegulfræðilega örvun. Spennubreytir samanstendur af tveimur spólum, aðal- og aukaspólu, sem eru vafin utan um járnkjarna.
– Virkni: Rafstraumurinn sem fer í gegnum aðalspóluna framleiðir segulflæði sem veldur rafsegulmögnun (EMF) í efri spólunni. Með því að breyta fjölda snúninga í aðal- og efri spólunum er hægt að auka eða minnka spennuna eftir þörfum.
– Notkun: Spennubreytar eru notaðir í rafdreifikerfum til að auka eða lækka rafspennu, sem gerir kleift að flytja rafmagn á skilvirkan hátt frá virkjunum til neytenda.
Rafsegulfræðileg innleiðsla í rafsegulmagnaða og toroida
Rafsegulmagnaðir raf ...
1. Segulrofi
– Virkni: Þegar rafstraumur fer í gegnum rafsegul myndast einsleitt segulsvið inni í spólunni. Breytingar á straumnum í rafsegulnum valda breytingum á segulflæði, sem getur valdið rafsegulmögnun í öðrum aðliggjandi spólum.
– Notkun: Rafsegulrofar eru notaðir í lækningatækjum eins og segulómunartækjum, rafsegulstýringum og stjórnkerfum í bílum.
2. Toroid
– Virkni: Toroid er vírspóla vafin í hring. Segulsviðið sem myndast af rafstraumnum í toroid er umlukið kjarnanum, sem dregur úr orkutapi og truflunum frá utanaðkomandi segulsviðum.
– Notkun: Toroidar eru notaðir í toroidal spennubreytum, kjarnakljúfum og fjarskiptabúnaði.
Rafsegulfræðileg innleiðsla í þráðlausri tækni
Þráðlaus tækni notar einnig meginregluna um rafsegulfræðilega innleiðslu. Þráðlaus hleðsla og þráðlaus orkuflutningur eru tvö dæmi um notkun sem notar rafsegulfræðilega innleiðslu til að flytja orku þráðlaust.
1. Þráðlaus hleðsla
– Virkni: Þráðlaus hleðsla notar segulsviðið sem hleðsluspólan myndar til að valda rafsegultruflunum í móttökuspóluna sem er fest við tækið sem á að hlaða. Breytingin á segulsviðinu framleiðir rafstraum í móttökuspóluninni sem er notuð til að hlaða rafhlöðu tækisins.
– Notkun: Þráðlaus hleðsla er notuð í rafeindatækjum eins og snjallsímum, snjallúrum og flytjanlegum lækningatækjum.
2. Þráðlaus orkuflutningur
– Virkni: Þráðlaus orkuflutningur notar segulsvið til að flytja orku milli tveggja spóla sem eru fjarlægðar frá hvor annarri. Ómun milli sendispólu og móttökuspólu eykur skilvirkni orkuflutningsins.
– Notkun: Þráðlaus orkuflutningur er notaður í hleðslu rafknúinna ökutækja, ígræðanlegum lækningatækjum og endurnýjanlegum orkukerfum.
Tengd fyrirbæri
1. Áhrif hvirfilstraums
– Virkni: Iðlustraumar eru straumar sem valdast í leiðara vegna breytinga á segulsviði. Þessir iðlustraumar framleiða segulsvið sem vinnur gegn breytingunni á segulflæðinu sem olli þeim.
– Notkun: Iðjustraumur er notaður í rafsegulbremsum, málmleit og eyðileggjandi prófunum.
2. Segulmótstaða
– Virkni: Segulviðnám er breyting á rafviðnámi efnis af völdum ytra segulsviðs. Þetta fyrirbæri er notað í gagnageymslutækni og segulskynjurum.
– Notkun: Segulviðnám er notað í harða diska, hraðaskynjurum og staðsetningarskynjunarkerfum.
3. Hall-áhrif
– Virkni: Hall-áhrif eru fyrirbæri þar sem segulsvið sem er hornrétt á rafstrauminn í leiðara veldur spennumun yfir leiðarann. Þessi spenna kallast Hall-spenna.
– Notkun: Hall-áhrifin eru notuð í Hall-skynjurum til að mæla segulsvið, hraða og staðsetningu.
Niðurstaða
Innleidd hugsanleg rafsegulmögnun (EMF) er lykilfyrirbæri í rafsegulfræði sem liggur að baki mörgum nútíma tækni. Meginreglan um rafsegulörvun hefur víðtæk og mikilvæg notkunarsvið, allt frá rafrafstöðvum og spennubreytum til þráðlausrar tækni og lækningatækja. Lögmál Faradays um rafsegulörvun og lögmál Lenz veita fræðilegan grunn að skilningi og notkun innleiddrar rafsegulmögnunar. Tengd fyrirbæri eins og hvirfilstraumar, segulviðnám og Hall-áhrif sýna fram á útbreiðslu rafsegulörvunar á ýmsum sviðum vísinda og tækni. Eftir því sem tækni og rannsóknum fleygir fram mun notkun innleiddrar rafsegulmögnunar halda áfram að aukast og opna dyrnar að flóknari og skilvirkari nýjungum í framtíðinni.
